使用无源和有源组件?一定要遵守最佳实践设计

5月15日

高速公路上的汽车周围都有传感器信号

快速、高频的产品似乎包围着我们。现在，任何看似漫不经心的司机都会进入射频和微波信号的迷人世界，他们的新车安全系统会针对意外的车道变化巧妙地自动校正，并在GPS提示“在下一个出口左转”时避免与下一辆车擦身而过。无源和有源组件在决定这些信号的能力方面都起着很大的作用。

高速消费和工业产品数量的增加使PCB设计成为焦点。当您为高频应用设计PCB时，您需要认识到辐射会影响无源和有源组件的性能。元件选择应认识到频率公差、插入/返回损耗、输入/输出阻抗水平、相位延迟和温度稳定性已成为关键性能因素。在考虑消除电磁干扰(EMI)时，还必须记住，范围超过100 MHz的频率会增加寄生电感和电容的风险。

让我们不要消极对待被动设备

即使我们将某些设备标记为“无源”，我们也很难设计出没有这些器件的工作电路组件．当我们考虑被动设备时，有一些要点需要注意。无源器件——如电阻、电感、电容器、铁氧体珠和变压器:

不产生能量
不需要动力就能操作
不要放大电信号
不能控制电路。

尽管无源设备有局限性，但我们可以使用这些组件来衰减信号，或者使用设备(或串联或并联连接的设备组合)来控制信号、产生反馈或引起相移。

抵抗并不总是徒劳的

“电阻反对电流流动”似乎是一个简单的陈述。当然，当我们设计电路时，我们可以使用电阻来实现阻抗匹配和偏置。然而，我们可以从一个选择的电阻，包括线绕，碳成分，和薄膜电阻。

当我们工作在高频时，电阻的反应是不同的。因为绕线电阻器是由线圈组成的，这些电阻器成为感应的。即使薄膜电阻的内部结构由金属薄膜线圈组成，在高频时也会感应，但电感仍然足够低，可以用于一些高频电路中。

电阻也有电容。虽然这看起来很奇怪，但电阻器的端盖彼此平行存在，因此产生电容。在大多数情况下，电阻的电阻推动寄生电容成为泄漏，电容不是一个因素。然而，具有高值的电阻器可能具有与其电阻平行存在的电容。在高频率下，高值电阻器可能具有较低的阻抗。

用电容器管理电流和去耦

与电阻器相反，电容器以电荷的形式静电地将能量存储在由电介质隔开的两个或多个导电板上。我们可以在电路设计中使用电容器进行滤波和去耦在供应和信号线．但我们需要更深入地研究特定的特性，以了解电容器在高频电路中的反应。

寄生电感和谐振可以发生在一些电容器，如电解电容器和薄膜电容器，并损害高频性能。用于构建电容器的材料层提供了产生自感所需的区域。电解电容器具有板对板的泄漏电流，可以出现与电容器并联存在的寄生串联电阻。当寄生电阻与电容板提供的电阻结合时，我们有一个等效串联电阻(ESR)。

一堆电解电容器，无源元件

电容器可能是你设计解耦所需要的

去耦电容器必须具有低ESR才能实现纹波和噪声抑制。陶瓷电容器由于板尺寸较小，产生自感的可能性较小。此外，陶瓷电容器在高频范围内提供了稳定性，并为解耦集成电路提供了很好的解决方案。由于高温级铝/钽电容器具有稳定的温度和偏置特性，该器件可以很好地用于解耦供电线路。任何温度不稳定都会增加ESR，并可能损害电容器。

电感连续储能

电感器储存能量。尽管这个简单的定义似乎将电感器与电容器混为一谈，但实际上，存在着微妙的区别。使用电感器，只要时变电流继续流过电感器，我们就在线圈的匝内存储电磁能量。而电感(L)与电流的变化相反，电感值越大，电流的变化率越小。

当我们使用组件时，有时会听到术语“有损”和“无损”。因为一个理想的电感器可以无限地储存能量而没有能量损失为热量，所以该装置是无损的。然而，在日常生活中，电感器的特性并不理想。电感器中的每根导线每单位长度都有一个给定的电阻。每一圈导线依靠另一圈，并允许寄生谐振电容形成和限制电感的上频率。

电子电路中的有源器件

所有的电子电路都包括至少一个有源器件，如晶体管、可控硅整流器(scr)、三极管和运算放大器(运放)，这些器件都使用电流来控制电流。一些有源器件作为电压控制器件工作，并使用静态电压来控制电流。其他有源器件作为电流控制器件工作，并使用另一个电流来控制电流。

活跃的设备:

能控制电流的流动吗
产生电压或电流
向电路输送电压或电流
能提供能量增益吗
需要外部资源来操作

控制电流可以使有源器件发挥放大器的作用。一个小的信号控制了大量的电力，并将来自外部电源的直流电源塑造成具有更大幅度的相同波形。放大器还可以降低信号的振幅以进行模数转换、缓冲信号或滤波信号。当放大器缓冲一个信号时，它在输入端呈现高阻抗，在输出端呈现低阻抗。因此，放大器允许将弱输入信号传输到大负载。有源滤波器使用负反馈对信号进行滤波。